高級駕駛輔助系統(tǒng)熱仿真*

王 飛，張 科，全 坤

（維寧爾（中國）電子有限公司，上海201103）

引 言

高級駕駛輔助系統(tǒng)（Advanced Driving Assistance System, ADAS）利用汽車中安裝的各種傳感器（單目和雙目攝像頭等）來感應(yīng)周圍環(huán)境并在汽車行駛過程中收集數(shù)據(jù)，同時執(zhí)行靜態(tài)和動態(tài)物體的識別、檢測和跟蹤，進行大規(guī)模計算和分析，從而使駕駛員提前感知可能的危險，并有效提高駕車的舒適性和安全性[1]。

ADAS系統(tǒng)可分為感知層、決策層和執(zhí)行層[2]。感知層由雷達(dá)傳感器、視覺傳感器（單目和雙目攝像頭）和高精地圖等組成；決策層由芯片組成，這些芯片通過算法實現(xiàn)交互式?jīng)Q策和路徑規(guī)劃；執(zhí)行層用于實現(xiàn)汽車動力轉(zhuǎn)換、制動和轉(zhuǎn)向等功能。傳統(tǒng)汽車配置的控制器較少，功能簡單，元器件發(fā)熱量小，熱流密度低，設(shè)計時一般不考慮散熱問題。配置ADAS的汽車擁有更多的電子硬件，如前視攝像頭和主動安全域控制器，這些硬件具有內(nèi)部元器件集成度高、發(fā)熱量大、熱源密度集中等特點，如果散熱不足極易造成芯片過熱失效，嚴(yán)重影響ADAS的運行穩(wěn)定性和汽車駕駛的安全性。同時，ADAS硬件一般以自然散熱為主，安裝位置和安裝空間直接決定著硬件的散熱工況，因此選擇合適的安裝位置在ADAS的設(shè)計過程中至關(guān)重要。

與傳統(tǒng)的硬件可靠性測試相比，仿真可以顯著加快設(shè)計測試的速度。熱仿真可用于確定汽車電子硬件電路板及其關(guān)鍵組件的溫度是否在允許范圍內(nèi)。因此本文基于某ADAS硬件，利用熱仿真確定ADAS硬件合適的安裝位置和安裝空間以及攝像頭美化罩進出風(fēng)孔的相關(guān)設(shè)計。

1 ADAS硬件系統(tǒng)

1.1 前視攝像頭及美化罩

前視攝像頭是實現(xiàn)高級駕駛輔助的關(guān)鍵硬件，一般分為單目攝像頭和雙目攝像頭[3]。前視攝像頭可以通過圖像處理獲得各種交通目標(biāo)信息，如車道線、跟隨車輛、會合車輛、前方行人和交通標(biāo)志。通過獲取的交通目標(biāo)信息，前視攝像頭可以實現(xiàn)多種主動安全功能，使車輛行駛更加安全、舒適。前視攝像頭通常會配置圖像處理器芯片、主控制器芯片、電源管理系統(tǒng)芯片等關(guān)鍵器件。圖1為安裝在前擋風(fēng)玻璃處的前視攝像頭的示意圖。

圖1 安裝在前擋風(fēng)玻璃處的前視攝像頭

前視攝像頭安裝在駕駛艙的前擋風(fēng)玻璃后面，主機廠通常為攝像頭配置美化罩以實現(xiàn)內(nèi)飾的統(tǒng)一及美觀。美化罩進出風(fēng)孔的開孔大小及位置直接決定前視攝像頭能否滿足散熱設(shè)計要求。

1.2 主動安全域控制器

主動安全域控制器可以穩(wěn)定地檢測高速公路場景中的駕駛環(huán)境和道路設(shè)施，并結(jié)合高精度地圖和定位信息連續(xù)、準(zhǔn)確、高效地控制車輛。在確保駕駛安全的前提下，主動安全域控制器可以為駕駛員分擔(dān)簡單和重復(fù)的駕駛?cè)蝿?wù)，有效減輕長途公路旅行的身心疲勞，提高用戶的駕駛效率和舒適度[4]。主動安全域控制器一般會配置視覺處理器芯片、數(shù)據(jù)存儲芯片、主控制器芯片等關(guān)鍵器件，小型化的發(fā)展趨勢使得這些器件發(fā)熱量大，熱流密度集中，成為ADAS硬件需要重點關(guān)注的散熱對象。

2 ADAS硬件熱仿真

2.1 熱仿真模型簡化

熱仿真軟件可以減少熱設(shè)計成本和提高產(chǎn)品的一次成功率[5]。在仿真過程中，為了方便網(wǎng)格劃分和節(jié)省計算時間，對ADAS硬件結(jié)構(gòu)做了一些簡化：去除各種小倒角，只考慮關(guān)鍵器件的發(fā)熱量。這些簡化對仿真結(jié)果基本無影響。

自然對流換熱過程中，流體的流動由溫度差引起，因此流體的運動與換熱密切相關(guān)。在自然界、現(xiàn)實生活和工程中，研究對象的自然冷卻是通過自然對流傳熱實現(xiàn)的。自然對流換熱的傳熱強度相對較弱，尤其在環(huán)境溫度較低時，和輻射傳熱存在相同的數(shù)量級，但當(dāng)溫度較高時，輻射傳熱的強度比自然對流傳熱的強度大得多，因此，在自然對流換熱的實際計算中不能忽略輻射換熱。

圖2為物體在空氣中的冷卻過程[6]。自然對流過程中，在流體速度變化的區(qū)域，相對于流體沿著物體上升方向（圖中的x方向）的尺度很薄，稱之為速度邊界層。與速度邊界層同時存在的還有一個熱邊界層，即溫度從Tw逐步變化到環(huán)境溫度T∞的邊界層，其厚度大致等于速度邊界層的厚度。熱邊界層的厚度隨著流動方向上的尺寸（x）的增加而逐漸增加，這也使得研究對象的換熱性能會從底部開始隨著x的增大而逐漸減弱。

圖2 物體在空氣中的冷卻過程

自然對流過程中，流體的流動主要由浮升力的作用產(chǎn)生。根據(jù)自然對流換熱過程的無量綱微分方程組得到格拉曉夫數(shù)（Grashof）：

式中：v為來流速度，m/s；g為重力加速度，m/s2；ρ為密度，kg/m3；θw為溫度差，°C；L為長度，m。當(dāng)格拉曉夫數(shù)很大（Gr> 109）時，自然對流邊界層就會從層流狀態(tài)過渡到湍流狀態(tài)。因此在自然對流過程中，應(yīng)使用格拉曉夫數(shù)判斷邊界層的流動狀態(tài)。

經(jīng)過計算，本文仿真案例的格拉曉夫數(shù)Gr=3.4×107，因此將攝像頭、美化罩及乘員艙簡化為大空間自然對流是合理的。在做攝像頭及美化罩整車級熱仿真時，將車體及乘員艙簡化為大空間，只保留美化罩、攝像頭支架、前擋風(fēng)玻璃和局部車頂數(shù)據(jù)，可以大幅減少網(wǎng)格數(shù)，提高仿真精度和仿真效率。

2.2 設(shè)置熱仿真計算參數(shù)

由于ADAS硬件需要安裝到整車上，考慮到熱仿真的可行性及時效性，對整車模型做以下簡化處理：1）只考慮ADAS硬件周邊的整車數(shù)據(jù)；2）數(shù)據(jù)統(tǒng)一簡化為鈑金、塑料、玻璃等材料。為了提高熱仿真精度，ADAS硬件的印制電路板（Printed Circuit Board,PCB）設(shè)置分層導(dǎo)熱系數(shù)及覆銅率，關(guān)鍵器件按照雙熱阻模型仿真。主要的熱仿真計算參數(shù)如表1所示。

表1 熱仿真計算參數(shù)設(shè)置

本文將前視攝像頭的整車仿真環(huán)境溫度設(shè)定為40°C，這主要是考慮到車輛實際運行過程中，乘員艙內(nèi)駕駛員所能忍受的極限溫度。一旦乘員艙內(nèi)環(huán)境溫度超過40°C，駕駛員會開啟冷空調(diào)降溫，因此車輛正常運行過程中乘員艙內(nèi)環(huán)境溫度設(shè)置為40°C是合理的。如果整車環(huán)境溫度發(fā)生變化，只需要將40°C更改為其他設(shè)定值，本文介紹的仿真方法同樣適用。同時，太陽輻射會導(dǎo)致美化罩內(nèi)部環(huán)境溫度升高，對攝像頭散熱影響較大，因此基于《建筑氣象參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)》，選取太陽輻射強度1 000 W/m2作為本文熱仿真輸入條件。

2.3 熱仿真結(jié)果分析

2.3.1 前視攝像頭熱仿真

前視攝像頭安裝在駕駛艙的前擋風(fēng)玻璃后面，主機廠通常為攝像頭增加美化罩以實現(xiàn)內(nèi)飾的統(tǒng)一及美觀。美化罩的進風(fēng)孔和出風(fēng)孔是決定攝像頭關(guān)鍵器件溫度的主要因素。圖3為美化罩及攝像頭的粒子流動軌跡圖，從圖中可以清晰看出冷空氣在美化罩及攝像頭中的流動情況，對美化罩進出風(fēng)孔的開孔方式和開孔位置有重要指導(dǎo)作用。

圖3 攝像頭處粒子流動軌跡圖

圖4為前視攝像頭外殼溫度分布云圖，圖5為PCB及關(guān)鍵器件溫度分布云圖。從圖4可以看出，攝像頭外殼溫度最高點分布在關(guān)鍵芯片正上方，最高溫度為105.26°C。從圖5可以得到關(guān)鍵器件的殼溫，然后利用結(jié)殼熱阻計算器件結(jié)溫以判斷器件結(jié)溫是否滿足散熱設(shè)計要求。

圖4 前視攝像頭外殼溫度分布云圖

圖5 PCB及關(guān)鍵器件溫度分布云圖

為了保證攝像頭具有良好的散熱環(huán)境且攝像頭關(guān)鍵器件結(jié)溫滿足散熱設(shè)計要求，在滿足內(nèi)飾美觀統(tǒng)一的前提下，美化罩進出風(fēng)孔設(shè)計的基本原則如下：

1）美化罩進風(fēng)孔和出風(fēng)孔的開孔面積盡量大。開孔以長條孔為主（風(fēng)阻?。?，盡量避免開設(shè)密集小圓孔（風(fēng)阻大）。

2）美化罩內(nèi)部空氣以自然對流為主，根據(jù)煙囪效應(yīng)，攝像頭下方區(qū)域開設(shè)進風(fēng)孔，上方區(qū)域開設(shè)出風(fēng)孔，同時保證進風(fēng)孔和出風(fēng)孔能形成自然對流，便于熱空氣快速逸出。

3）出風(fēng)孔開設(shè)在美化罩頂部時，為了保證出風(fēng)順暢，建議美化罩與車頂之間留有間隙。

2.3.2 主動安全域控制器熱仿真

主動安全域控制器一般安裝在車輛中央扶手下方、后方座椅下方或者后備箱中，整車環(huán)境對域控制器的散熱有很大影響，因此域控制器放置在整車環(huán)境下進行仿真。

圖6為域控制器在整車環(huán)境下的粒子流動軌跡圖，圖7為域控制器周邊溫度分布截面圖。從圖6和圖7可以看出，域控制器正上方的散熱空間是影響域控制器散熱性能的關(guān)鍵因素。

圖6 域控制器粒子流動軌跡圖

圖7 域控制器周邊溫度分布截面圖

為了研究域控制器在車上最合適的安裝位置和安裝空間，本文對域控制器正上方的散熱空間做了詳細(xì)仿真。仿真環(huán)境溫度為85°C，分4種工況進行仿真，分別表示域控制器正上方20 mm，40 mm，60 mm和80 mm處有障礙物，選取域控制器關(guān)鍵器件結(jié)溫和域控制器外殼溫度作為監(jiān)測值，仿真結(jié)果見圖8。

圖8 正上方障礙物距離對域控制器散熱的影響

從圖8可以看出，域控制器與正上方障礙物的距離越大，域控制器的散熱性能越好，關(guān)鍵器件的結(jié)溫和外殼溫度越低，但是隨著域控制器與正上方障礙物的距離逐漸增大，域控制器的散熱性能強化程度越來越低，當(dāng)距離超過60 mm時，距離的增加對域控制器的散熱性能幾乎沒有影響。因此，域控制器與正上方障礙物的距離是影響域控制器散熱的關(guān)鍵因素，隨著距離的增大，域控制器的散熱環(huán)境越來越好，當(dāng)距離增大到一定程度時，域控制器的散熱環(huán)境趨于穩(wěn)定。

2.4 關(guān)鍵器件結(jié)溫計算

芯片的發(fā)熱量通過芯片–外殼、外殼–散熱器、散熱器–環(huán)境3個環(huán)節(jié)消耗[7]。其中，芯片溫度為結(jié)溫Tj，外殼溫度為殼溫Tc，散熱器溫度為Th，環(huán)境溫度為Ta。芯片與外殼之間的熱阻為Rth(j-c)，外殼與散熱器之間的熱阻為Rth(c-h)。

溫差等于功耗與熱阻的乘積[8]。若器件殼溫Tc已知，結(jié)溫Tj=Tc+PRth(j-c)，其中P為發(fā)熱量。攝像頭芯片1結(jié)到殼的熱阻Rth(j-c)= 0.38°C/W，芯片2結(jié)到殼的熱阻Rth(j-c)=5.1°C/W。

芯片1結(jié)到殼的溫差ΔTj-c=PRth(j-c)=5.27 W×0.38°C/W=2.01°C。

芯片1結(jié)溫Tj=Tc+ΔTj-c= 105.26+2.01 =107.27°C。

使用同樣的方法可以得到ADAS硬件其他芯片的結(jié)溫，從而根據(jù)關(guān)鍵器件結(jié)溫是否超過125°C來判斷芯片是否滿足散熱設(shè)計要求。

3 熱仿真與熱測試對比

熱測試在恒溫箱中進行，將恒溫箱溫度調(diào)整為熱仿真環(huán)境溫度。表2為攝像頭部分關(guān)鍵器件熱仿真和熱測試的溫度對比。

表2 熱仿真和熱測試溫度對比

從表2可以看出，本文仿真方法的相對誤差在3%以內(nèi)，完全可以滿足工程設(shè)計的精度要求，因此本文的仿真方法是合理的。

4 結(jié)束語

本文對某高級駕駛輔助系統(tǒng)硬件做了詳細(xì)的熱仿真。首先對前視攝像頭、美化罩及乘員艙做了大空間自然對流簡化，同時根據(jù)流動軌跡確定了美化罩最優(yōu)的進風(fēng)孔和出風(fēng)孔開孔方式，然后根據(jù)主動安全域控制器的仿真結(jié)果得到了域控制器最優(yōu)的安裝位置和安裝空間。介紹了芯片結(jié)溫的計算方法，根據(jù)結(jié)溫判斷芯片是否滿足散熱設(shè)計要求。最后對熱仿真和熱測試得到的關(guān)鍵器件殼溫做了對比，結(jié)果顯示熱仿真的相對誤差小于3%。本文提供的仿真方法和仿真結(jié)果可為ADAS硬件的散熱設(shè)計和可靠性評估提供參考。